51单片机的多波形发生器设计（PCF8591）源程序 正弦波、三角波、锯齿波、方波、梯形波

利用STC89C52RC为硬件核心，STC89C52RC具有8KB ROM存储空间，512字节数据存储空间，带有MCS-51系列单片机完全兼容，STC89C52RC可以通过串口下载。本次实验设计采用单片机的PCF8591硬件接口实现D/A数模转换设计。PCF8591时一个单电源低功耗的8位CMOS数据采集器件，具有4路模拟输入，1路模拟输出和一个串行I2C总线接口用来与单片机通信，符合电路简单，方便查找错误的设计理念。

仔细分析课题后，并查找了相应资料，所学单片机中有关矩阵按键、A/D模数和D/A数模转换的有关知识，设计出整体硬件原理框图如图1所示, 其中晶振通过自身振荡为单片机系统提供基准时钟信号，复位电路用于单片机复位，矩阵按键控制波形、频率切换。

      

单片机最小系统的三要素就是电源、晶振和复位电路。

本设计中选用的STC89C52RC需要5V的供电系统，将供电电路接在STC89C52RC的40和20引脚的位置上，40引脚接+5V，即VCC。20引脚接GND，即电源负极。

晶振为单片机系统提供基准时钟信号。STC89C52RC的18引脚和19引脚接一个11.0592MHz的晶振，外加两个20pF的电容，电容用于帮助晶振起振，并维持晶振信号的稳定。

单片机复位分为三种情况：上电复位、手动复位和程序自动复位。

上电复位即单片机上电后，单片机进行一个内部的初始化过程，保证单片机每次都从一个固定的相同的状态开始工作。手动复位即人主动去按下复位按键，让程序重新初始化重新运行。程序自动复位即单片机遇到某些情况自动复位到初始化的状态。

具体电路设计参见下图2 ：

图2 单片机最小系统

图3 PCF8591电路

其中引脚1、2、3、4是4路模拟输入，引脚5、6、7是I2C总线的硬件地址，8 脚是数 字地 GND，9 脚和 10 脚是I2C总线的 SDA 和SCL。12脚是时钟选择引脚，如果接高电平表 示用外部时钟输入，接低电平则用内部时钟，我们本次设计电路用的是内部时钟，因此12脚直接接 GND，同时 11脚悬空。13脚是模拟地 AGND。14脚是基准源，15脚是 DAC 的模拟输出，16脚是供电电源 VCC。

在软件编程过程中单片机对PCF8591进行初始化，一共发送三个字节即可。第一个字节，和 EEPROM 类似，是器件地址字节，其中7位代表地址，1位代表读写方向。地址高4位固定是0b1001，低三位是A2，A1，A0， 这三位我们电路上都接了GND，因此也就是0b000。

通过高四位全部输出低电平，低四位输出高电平。当接收到的数据，低四位不全为高电平时，说明有按键按下，然后通过接收的数据值，判断是哪一列有按键按下，然后再反过来，高四位输出高电平，低四位输出低电平，然后根据接收到的高四位的值判断是那一行有按键按下，从而能够确定是哪一个按键按下了。电路如图6示：

图6 矩阵键盘电路

首先开启总中断，让中断程序能够正常运行，配置T0定时1ms，初始化波形和频率，进入循环不断扫描按键动态在中断中完成按键扫描并消抖，主程序调用按键动作函数。当检测到键4按下第一次，显示三角波；当检测键4按下第二次，显示锯齿波；当检测到键4按下第三次，显示方波；当检测到键4按下第四次，显示梯形波若无检测到键按下，则输出默认正弦波；当检测到按下键8，调整波形频率。主程序流程图如图7所示：   

中断子程序中，通过定时器T0执行矩阵按键扫描函数检测是否按下按键，定时器中断流程图如图8所示：

单片机源程序如下:

1. #include <reg52.h>
   
2. unsigned char  code SinWave[256] ={           //正弦波
   
3. 127 ,        133 ,        139 ,        146 ,        152 ,        158 ,        164 ,        170,
   
4. 176,         181 ,        187 ,        192 ,        198 ,        203 ,        208,         212 ,
   
5. 217 ,        221 ,        225 ,        229 ,        233,         236,         239,         242 ,        
   
6. 244 ,        247 ,        249 ,        250 ,        252 ,        253 ,        253 ,        254 ,
   
7. 
   
8. 254 ,        254 ,        253 ,        253,         252 ,        250 ,        249 ,        247 ,
   
9. 244,         242 ,        239,         236 ,        233 ,        229 ,        225 ,        221 ,
   
10. 217 ,        212 ,        208 ,        203 ,        198 ,        192 ,        187 ,        181 ,
    
11. 176 ,        170 ,        164 ,        158 ,        152 ,        146 ,        139 ,        133 ,
    
12.         
    
13. 127 ,        121 ,        115 ,        108 ,        102 ,        96         ,   90          ,  84         ,
    
14. 78         ,        73         ,        67         ,        62         ,        56        ,         51         ,        46         ,        42        ,
    
15. 37         ,        33,                 29         ,        25        ,         21        ,         18         ,        15         ,        12         ,        
    
16. 10         ,        7 ,                5         ,        4         ,        2         ,        1         ,        1         ,        0          ,
    
17. 
    
18. 0         ,        0 ,                1         ,        1         ,        2         ,        4         ,        5         ,        7          ,
    
19. 10         ,        12 ,        15         ,        18         ,        21         ,        25         ,        29         ,        33  ,
    
20. 37         ,        42 ,        46         ,        51         ,        56         ,        62         ,        67         ,        73         ,
    
21. 78         ,        84         ,        90         ,        96         ,        102 ,        108 ,        115 ,        121         ,
    
22. 
    
23. } ;
    
24. unsigned char code SawWave[256] = {        //锯齿波
    
25. 0,        2,        4,        6,        8,        10,        12,        14,
    
26. 16,        18,        20,        22,        24,        26,        28,        30,        
    
27. 32,        34,        36,        38,        40,        42,        44,        46,        
    
28. 48,        50,        52,        54,        56,        58,        60,        62,
    
29.         
    
30. 64,        66,        68,        70,        72,        74,        76,        78,        
    
31. 80,        82,        84,        86,        88,        90,        92,        94,        
    
32. 96,        98,        100,102,104,106,108,110,        
    
33. 112,114,116,118,120,122,124,126,        
    
34. 
    
35. 128        ,130,132,134,136,138,140,142,        
    
36. 144        ,146,148,150,152,154,156,158,        
    
37. 160        ,162,164,166,168,170,172,174,        
    
38. 176        ,178,180,182,184,186,188,190,        
    
39. 
    
40. 192,194        ,196,198,200,202,204,206,        
    
41. 208,210        ,212,214,216,218,220,222,        
    
42. 224,226        ,228,230,232,234,236,238,        
    
43. 240,242        ,244,246,248,250,252,254,        
    
44. };
    
45. unsigned char code TriWave[256]= {         //三角波
    
46. 0 ,    4    , 8,    12  ,  16   , 20  ,  24  ,  28 ,  
    
47. 32 ,   36   , 40,    44 ,   48  ,  52 ,   56  ,  60        ,
    
48. 64  ,  68   , 72 ,   76  ,  80   , 84  ,  88  ,  92  ,  
    
49. 96   ,100  , 104 ,  108  , 112  , 116  , 120  , 124         ,
    
50. 128  ,132  , 136,   140  , 144  , 148 ,  152  , 156 ,  
    
51. 160  , 164  , 168,   172 ,  176 ,  180,   184 ,  188 ,
    
52. 192  , 196 ,  200,   204,   208 ,  212 ,  216 ,  220 ,  
    
53. 224  , 228 ,  232,   236 ,  240  , 244 ,  248 ,  252  ,
    
54. 255  , 251 ,  247 ,  243,   239  , 235 ,  231 ,  227  ,
    
55. 223  , 219 ,  215,   211 ,  207  , 203 ,  199 ,  195 ,
    
56. 191  , 187 ,  183,   179,   175  , 171 ,  167 ,  163 ,
    
57. 159  , 155 ,  151,   147,   143  , 139 ,  135  , 131  ,
    
58. 127  , 123 ,  119,   115,   111  ,107  , 103  ,  99   ,
    
59. 95   , 91  ,  87 ,   83 ,   79   , 75 ,   71  ,  67           ,
    
60. 63   , 59 ,   55 ,   51 ,   47   ,43   , 39   , 35    ,
    
61. 31   , 27,    23 ,   19 ,   15   , 11 ,    7   ,  3          ,
    
62. };
    
63. unsigned char code SquWave[256] = {        //方波
    
64. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
65. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
66. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
67. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
68. 
    
69. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
70. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
71. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
72. 255,255,255,255,255,255,255,255,
    
73. };
    
74. unsigned char code TraWave[256] = {//梯形波
    
75. 0    , 6   ,  12 ,   18 ,   24 ,   30 ,   36  ,  42  ,  
    
76. 48  ,  54   , 60 ,   66 ,   72 ,   78  ,  84  ,  90         ,
    
77. 96  ,  102  , 108,   114 ,  120,   126 ,  132 ,  138 ,  
    
78. 144 ,  150 ,  156,   162 ,  168 ,  174 ,  180 ,  186 ,
    
79. 192 ,  198  , 204 ,  210  , 216 ,  222 ,  228 ,  234 ,  
    
80. 240 ,  246 ,  252 ,  255,   255,   255,   255,   255,
    
81. 255,   255,   255,   255,   255,   255,          255,   255,   
    
82. 255,   255,   255,   255,   255,   255,   255,   255,
    
83. 255,   255,   255,   255,   255,   255  , 249  , 243 ,  
    
84. 237 ,  231  , 225  , 219  , 213,   207 ,  201  , 195  ,
    
85. 189 ,  183  , 177 ,  171  , 165        ,  159  , 153  , 147 ,  
    
86. 141,   135  , 129 ,  123 ,  117  , 111 ,  105  , 99 ,  
    
87. 93 ,   87   , 81 ,   75  ,  69        ,  63  ,  57   , 51 ,   
    
88. 45 ,   39    ,33   , 27 ,   21,    15  ,  9    , 3 ,
    
89. };
    
90. unsigned char code *pWave;  //波表指针
    
91. unsigned char T0RH = 0;  //T0重载值的高字节
    
92. unsigned char T0RL = 0;  //T0重载值的低字节
    
93. unsigned char T1RH = 1;  //T1重载值的高字节
    
94. unsigned char T1RL = 1;  //T1重载值的低字节
    
95. unsigned char t;//函数周期
    
96. unsigned char f;//频率
    
97. 
    
98. void ConfigTimer0(unsigned int ms);
    
99. void SetWaveFreq(unsigned char freq);
    
100. extern void KeyScan();
     
101. extern void KeyDriver();
     
102. extern void I2CStart();
     
103. extern void I2CStop();
     
104. extern bit I2CWrite(unsigned char dat);
     
105. 
     
106. void main()
     
107. {   
     
108.     EA = 1;             //开总中断
     
109.     ConfigTimer0(100);  //配置T0定时1ms
     
110.     pWave = SinWave;  //默认正弦波
     
111.     SetWaveFreq(5);  //默认频率100Hz
     
112.         f = 128;
     
113.    
     
114.     while (1)
     
115.     {
     
116.                KeyDriver();  //调用按键驱动
     
117.     }
     
118. }
     
119. 
     
120. /*改变波形*/
     
121. void KeyAction(unsigned char keycode)
     
122. {        
     
123.         static unsigned char i = 0;
     
124. 
     
125.         if(keycode == 0x26)
     
126.         {
     
127.                 if(i==0)
     
128.                 {
     
129.                         i = 1;
     
130.                         pWave = TriWave;
     
131.                 }
     
132.                 else if(i==1)
     
133.                 {
     
134.                         i = 2;
     
135.                         pWave = SawWave;
     
136.                 }
     
137.                 else if(i==2)
     
138.                 {
     
139.                         i = 3;
     
140.                         pWave = SquWave;
     
141.                 }
     
142.                 else if(i==3)
     
143.                 {
     
144.                         i = 4;
     
145.                         pWave = TraWave;
     
146.                 }
     
147.                 else
     
148.                 {
     
149.                         i = 0;
     
150.                         pWave = SinWave;
     
151.                 }
     
152.         }
     
153. }
     
154. /*改变频率*/
     
155. void KeyAction_f(unsigned char keycode)
     
156. {
     
157.         static unsigned char i = 0;
     
158. 
     
159.         if(keycode == 0x25)
     
160.         {
     
161.                 if(i==0)
     
162.                 {
     
163.                         i = 1;
     
164.                         f = 128;
     
165.                 }
     
166.                 else
     
167.                 {
     
168.                         i = 0;
     
169.                         f = 64;
     
170.                 }
     
171.         }        
     
172. }
     
173. 
     
174. /* 设置DAC输出值，val-设定值 */
     
175. void SetDACOut(unsigned char val)
     
176. {
     
177.     I2CStart();
     
178.     if (!I2CWrite(0x48<<1)) //寻址PCF8591，如未应答，则停止操作并返回
     
179.     {
     
180.         I2CStop();
     
181.         return;
     
182.     }
     
183.     I2CWrite(0x40);         //写入控制字节
     
184.     I2CWrite(val);          //写入DA值  
     
185.     I2CStop();
     
186. }
     
187. 
     
188. /*改变频率*/
     
189. void SetWaveFreq(unsigned char freq)
     
190. {
     
191.         unsigned long tmp;
     
192. 
     
193.         tmp = (11059200/12)/(freq * 128);
     
194.         tmp = 65536 - tmp;
     
195.         tmp = tmp + 33;
     
196.         T1RH = (unsigned char)(tmp >> 8);
     
197.         T1RL = (unsigned char)tmp;
     
198.         TMOD &= 0x0F;
     
199.         TMOD |= 0X10;
     
200.         TH1 = T1RH;
     
201.         TL1 = T1RL;
     
202.         ET1 = 1;
     
203.         PT1 = 1;
     
204.         TR1 = 1;
     
205. }
     
206. /* 配置并启动T0，ms-T0定时时间 */
     
207. void ConfigTimer0(unsigned int ms)
     
208. {
     
209.     unsigned long tmp;  //临时变量
     
210.    
     
211.     tmp = 11059200 / 12;       //定时器计数频率
     
212.     tmp = (tmp * ms) / 1000;  //计算所需的计数值
     
213.     tmp = 65536 - tmp;         //计算定时器重载值
     
214.     tmp = tmp + 28;            //补偿中断响应延时造成的误差
     
215.     T0RH = (unsigned char)(tmp>>8);  //定时器重载值拆分为高低字节
     
216.     T0RL = (unsigned char)tmp;
     
217.     TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位
     
218.     TMOD |= 0x01;   //配置T0为模式1
     
219.     TH0 = T0RH;     //加载T0重载值
     
220.     TL0 = T0RL;
     
221.     ET0 = 1;        //使能T0中断
     
222.     TR0 = 1;        //启动T0
     
223. }
     
224. /* T0中断服务函数，执行按键扫描 */
     
225. void InterruptTimer0() interrupt 1
     
226. {
     
227.     TH0 = T0RH;  //重新加载重载值
     
228.     TL0 = T0RL;
     
229.     KeyScan();   //按键扫描        
     
230.         
     
231. }
     
232. /* T1中断服务函数，执行波形输出 */
     
233. void InterruptTimer1() interrupt 3
     
234. {
     
235.     static unsigned char i = 0;
     
236.    
     
237.     TH1 = T1RH;  //重新加载重载值
     
238.     TL1 = T1RL;
     
239.     //循环输出波表中的数据
     
240.     SetDACOut(pWave[i]);
     
241. 
     
242.         if(f == 128)
     
243.         {
     
244.             i++;
     
245.             if (i >= 128)
     
246.             {
     
247.                 i = 0;
     
248.             }
     
249.         }
     
250. 
     
251.         if(f == 64)
     
252.         {
     
253.             i = i+2;
     
254.             if (i >= 128)
     
255.             {
     
256.                 i = 0;
     
257.             }
     
258.         }
     
259. }
     

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